国外空间对地观测领域最新发展

文 | 周一鸣 刘韬

北京空间科技信息研究所

历经近60 年发展，空间对地观测体系和能力日趋完备，已经开启大变革时代的序幕，空间对地观测领域显现出两方面特点：一是系统规模和能力稳步发展，应用广度和深度不断延伸，服务能力和产业化水平显著提高；二是在大国竞争的时代背景下衍生出的需求变化，已成为未来新一代空间对地观测系统转型发展、技术创新的主导推动力量。

一、总体情况

1.全球对地观测卫星发射状况

截至2020 年10 月31 日，全球已发射10556个航天器，其中对地观测卫星达3273 颗，占比超过三成，位居第二（图1）。

从时间尺度看，对地观测卫星发射数量在2000-2009、2010-2019 两个十年间实现快速跃升，由218 颗至1080 颗，增加近5 倍（图2）。

图1 全球卫星发射数量统计

图2 近20 年全球对地观测卫星发射数量统计

对地观测卫星发射规模显现两种“新”趋向，一是传统大卫星（质量＞500kg）发展平稳，发射占比23%；二是创新小卫星发展跃升，发射占比77%。

2. 全球对地观测卫星在轨状况

截至2020 年10 月31 日，国外在轨对地观测卫星633 颗，与五年前的在轨数量255 颗相比，数量翻了一番。目前美国对地观测卫星数量最多，约占63.5%（图3）。

图3 国外在轨卫星数量统计

对地观测卫星在轨规模显现两种“新”状态，一是传统大卫星数量趋稳，占比47%；二是创新小卫星数量跃升，占比53%，已反超大卫星。

二、战略政策最新发展

目前，美国战略政策体系最为完备，基于2018 年《国家太空战略》、2020 年《国防太空战略》《主宰太空2030 规划》等战略，布局包括对地观测的新一代太空体系建设。其他国家纷纷发布对地观测相关战略或规划，旨在进一步提升对地观测系统能力。

1.美国提出包括军用对地观测的顶层发展路线，推动体系能力升级

基于上述战略，美国军用对地观测发展路线可概括为：

2018-2023 年，集成情报界与国防部力量形成统一指挥控制，建立大国对抗基础能力；

2020-2025 年，太空力量与战区陆海空力量协同部署联合运用，依托强大的整体军力慑止战争开始或延伸到太空；

2023-2028 年，通过功能分离、多轨分散等多重手段提升天基战略体系弹性，设划红线，利用核威慑确保保底系统安全；

2026-2030 年，构建军民商盟、高中低轨多层分散的战区天基信息支援体系，全面提升天基系统抗毁弹性。在高超跟踪目指基础上，进一步集成定位导航授时、战术情报监视侦察、环境监视等功能。

2. 美国发布新版商业对地观测监管规则，推动数据管控分级

2020 年5 月，美国商务部发布最新版《私营遥感航天系统许可最终规则》，改革监管规则，构建“三级”管控体系。概括来说，第一级对应“能力相当”系统，采取最低限度限制（不设限制）；第二级对应“能力优于”系统，由商务部审批；第三级对应“全新能力”系统，商务部与国防部联合审批。具体来说：

第一级：指所生成的未增强数据与非经商务部许可的渠道（如国外系统）“本质相同”的系统，其限制条件最少。商务部认为，无论监管有多严，也无法防止“第一级”系统可能给国家安全造成的损害，因为大致相同的未增强数据也能从美国之外的渠道获得，因此对此类系统的运营不设限制。

第二级：指所生成的未增强数据只有美国国内部分系统“本质相同”的系统。“第二级”系统没有国外竞争者，因此除了与“第一级”系统审批条件相同外，还需遵守其他限制性运营指令。例如，可对非地球成像（NEI）、夜间成像（NIT）等进行限制，进行非地球成像（NEI）任务前须获得人造空间物体（ARSO）所有者的许可，并在执行拍摄任务前提前五天向商务部通报。

第三级：指拟建系统将生成的未增强数据能力无法在市场上获得，属于“全新能力”。因为没有其他竞争者，所以受到的限制更加严格，除了遵守“第二级”系统所需的限制性运营指令外，还需根据国防部的要求，经与商务部协商，遵守一些暂时性的条件。暂时性条件的有效期为一年（从系统首颗卫星投入运营时算起），国防部提出要求并获得商务部认可后还有两次可延长一年的机会。

3. 其他国家和地区纷纷提出对地观测领域新政策和规划

俄罗斯构建“球体”（Sfera）天基综合信息网络系统，计划发展通、导、遥卫星组成的600 余颗卫星星座，其中遥感卫星占1/3。

欧洲推进航天一体化建设，提高欧洲太空技术独立性，建设军民空间基础设施，积极发展下一代“哥白尼”（Copernicus）计划卫星，提升欧洲在国际太空舞台的地位。

日本新版国家太空战略把“确保太空安全”设为首要目标，提出建设完整的军事航天体系，将对地观测（即“活动空间”）作为四项主要内容之一。

印度制定了《军事航天愿景》和《技术展望与能力路线图》，构建未来天基信息系统。

三、系统技术最新发展

目前，对地观测系统技术及演进正进入承上启下的关键阶段，总体来看，传统大型卫星系统技术稳步升级，观测性能和效能显著提升；新型小型卫星系统技术蓬勃发展，服务时效性和产品多样性显露优势；新一代对地观测系统技术呼之欲出，高、低轨卫星系统技术多途径发展。

1. 传统大型卫星系统技术稳步升级，观测性能和效能显著提升

（1）大型光学对地观测卫星

近年，美国在军用大型对地观测卫星方面持续发展“锁眼”（KH）系列卫星，4 颗KH-12 卫星在轨，卫星全色分辨率0.1m，红外分辨率0.5m，机动能力强。

在大型商业卫星方面，麦克萨公司发展接替“世界观测”（WorldView）卫星的新星座，含6 颗“军团”（Legion）卫星和6 颗“侦察兵”（SCOUT）卫星。Legion 首星计划于2021 年发射，该卫星以750kg 的质量实现0.29m 全色分辨率，而上一代WorldView-3 卫星质量2.8t，可实现0.31m 分辨率。此外，Legion 卫星敏捷能力大幅度提升，星座对重点目标的重访速率大于20 次重访/天。同时，综合轨道的优化设计，1 颗Legion 卫星具备单轨大区域覆盖能力，单轨覆盖整个台湾岛，而一颗“天空卫星”（SkySat）单轨仅能覆盖台湾岛3%的面积（图4）。

图4 Legion 卫星单轨大区域覆盖能力

法国持续发展“光学空间段”（CSO）卫星系统，在轨2 颗，其中CSO-1 卫星全色分辨率0.35m，CSO-2 卫星全色分辨率0.2m，2 颗卫星均具备红外成像能力。印度发展制图卫星-3（CartoSat-3），全色分辨率0.25m，红外分辨率5.5m。

（2）大型雷达对地观测卫星

美、欧、印等国持续发展大型雷达对地观测卫星系统。美国保持5 颗“未来成像体系”（FIA）雷达卫星在轨，分辨率优于0.3m。

加拿大发展接替“雷达卫星”（RadarSat）的“雷达卫星星座任务”（RCM）三星星座，分辨率1m，每天全球90%区域覆盖，具有单轨合成孔径雷达干涉测量（InSAR）能力。

德国研发接替“X 频段陆地合成孔径雷达”（TerraSAR-X）星座的“高分辨率宽测绘带”（HRWS）卫星，采用基于数字波束形成（DBF）技术的多波束体制，计划2022 年发射。

意大利发展“第二代地中海盆地观测小卫星星座”（CSG），1 颗在轨，提高了短时多点密集成像能力，具备同等分辨率更大幅宽。

印度发展“雷达成像卫星”（RISAT）后续星，2 颗在轨，最高分辨率0.3m。

（3）红外对地观测卫星

导弹预警卫星具备对地观测能力，美国利用导弹预警卫星对地红外探测能力，建立了战场事件监视新服务。

70 年代“国防支援计划”（DSP）卫星部署后，工程师评估数据时发现，苏联领土内获得红外数据总有一些很规则的呈直线状的红外信号，经多源情报比对后认定为轰炸机基地附近的逆火轰炸机加力起飞。80 年代，海军建立基于DSP 卫星数据的反舰攻击告警系统。1982 年，海军实施“慢行者”（Slow Walker）项目，进驻到澳大利亚松峡地面站，研究证实可发现逆火起飞和发射导弹。美国于1996 年起正式利用“天基红外系统”（SBIRS）执行战区情报、监视和侦察（ISR）任务，并于2016 年形成初始作战能力，未来能力将持续提升。

2. 新型小型卫星系统技术蓬勃发展，服务时效性和产品多样性显露优势

（1）小型光学对地观测卫星

美国行星公司（Planet）已部署19 颗100 千克级SkySat 卫星，可提供分辨率0.9m、幅宽8km 的图像产品和分辨率1.1m、时长90s 的视频产品；行星公司已部署230 颗5 千克级“鸽群”（Flock）卫星，可以提供3 ～5m 分辨率图像，实现8 小时全球数据更新。

美国黑色天空公司于2020 年开始部署50 千克级60 星星座，可提供分辨率1m 图像产品，星座建成后，中低纬区域重访时间10 ～60min。

（2）小型雷达对地观测卫星

美国、芬兰、日本等国的众多初创公司都在积极发展商业微小合成孔径雷达（SAR）卫星星座，卫星成本只有数百万美元，卫星体积只有传统大型SAR 卫星的三十分之一。

美国“卡佩拉”（Capella）星座由36颗卫星组成，2022 年建成后可实现1 小时重访和4 小时InSAR重访，分辨率优于0.5m、幅宽5km，具备数据采集后30 分钟交付能力。

芬兰“冰眼”（ICEYE）星座由18 颗卫星组成，2022 年建成后可实现平均3 小时重访能力，分辨率0.25m，幅宽5km。

同时，在微纳卫星制造方面，国外大力推进自动化、智能化、批量化生产模式改造，积极应用3D 打印、AR 辅助、智能装配、大数据系统等新型智能制造技术。正在探索改变制造模式，例如尝试利用类似于汽车、航空行业的“脉动生产线”制造小卫星。

3. 新一代对地观测系统技术呼之欲出，高、低轨卫星系统技术多途径发展

（1）高轨卫星系统技术

国外高度关注具备“持续监视”能力的高轨对地观测卫星系统技术发展。大口径（＞3m）单体反射镜成像、分割孔径（分块可展开）、稀疏孔径、薄膜衍射成像等技术并行发展。目前，大口径单体反射镜成像、分割孔径技术成熟度最高，或即将具备工程应用能力。例如，采用分块可展开成像技术的“詹姆斯-韦伯空间望远镜”（JWST）计划于2021 年末发射。

（2）低轨卫星系统技术

近年来，国外低轨卫星系统技术发展迅速。特别是面向高超声速武器等新威胁，美国航天发展局（SDA）2019 年提出面向2030 以远的国防太空体系（“七层体系”），其中八大能力需求中三项涉及对地观测，包括先进导弹目标全球持续监视和目标指示能力；先进导弹威胁征候识别、预警、目标指示和跟踪能力；大规模、低时延、人工智能辅助的全球持续监视能力。这三项需求主要由“七层体系”中的看护层落实。看护层聚焦时敏目标监视，提供火控级别的目标指示信息。看护层相关技术重视软、硬件创新发展。

在硬件创新发展方面，看护层以及“七层体系”其他功能层的自主指控和处理系统将采用“黑杰克”（BlackJack）项目的“赌台官”（Pit Boss）智能型系统技术。2018 年，美国国防高级研究计划局（DARPA）启动“黑杰克”项目，借助Pit Boss 智能型系统发展星座级别的自主、协作、分布式系统，负责星座指挥控制、自主重构、载荷管理规划调度、星上数据处理、卫星健康监测和修复等。

在软件创新发展方面，美重视发展“无质量载荷”。SDA 提出发展“看护层多源情报融合软件”，旨在开发射前时敏目标指示算法，关注目标跟踪数量、定位精度和虚警率等指标。

（3）超低轨卫星系统技术

美国、日本近年试图探索超低轨卫星系统技术途径实现高分辨率对地观测。日本400 千克级超低轨试验卫星“燕”（SLATS）进入268km 轨道后分辨率0.5m，后期规划分辨率0.28m 的超低轨卫星。美国地球观测者公司发展30 星组网的商业甚低轨道（VLEO）卫星星座，2020 年8 月获空军合同。星座重访周期为2 小时，具备星上处理能力，首星计划2022 年发射。

四、应用产业最新发展

1. 即用性大幅提升

对地观测卫星对重大事件的应急响应能力大幅提升。例如，美国曝光侦察卫星对伊朗火箭突发爆炸的精确观测。2019 年8 月，特朗普推特透露伊朗火箭发射失败的现场图像（图5），《空间飞行进行时》（Spaceflight Now）等航天专业媒体认为，这幅图像分辨率优于美国商业卫星，应为机密侦察卫星图像，因该图像下方文字清晰可见。

图5 伊朗火箭发射失败的现场图像

再例如，美国商业无线电信号接收定位卫星和光学成像卫星对中印边境对峙的精确观测。2020 年5 月，美国鹰眼360 公司曝光其利用商业无线电信号接收定位卫星——“鹰”（Hawk）卫星发现中国加勒万河谷地区无线电信号增多，并与行星公司合作，调度SkySat 卫星进行了成像验证（图6），声称发现中国火炮、装甲车和卡车的活动。

图6 美国商业公司发布中印边境对峙图像（本文仅引用国外报道，不做考证）

2. 识别性大幅提升

国外对地观测卫星运营商利用人工智能技术大幅提升图像识别性。例如，空客公司与法国地球立方体公司合作，开发和销售“防御站点监视”（DSM）系统，这是一种专门针对国防人员的战略性站点监视的在线解决方案，已经能够自动探测、识别和区分民用和军用的各类飞机和船只。美国黑色天空公司的Spectra AI 平台可提供数据高效分析能力。例如，用户可设置要跟踪的主题，该平台可以监视主题关联的地理位置，甚至融合新闻摘要、社交媒体的信息。2020 年8 月10 日，新型“黑色天空”（BlackSky）卫星在发射58 小时后，对南非伊丽莎白港上空连续快速采集了图像。在Spectra AI 平台的帮助下，计算港口集装箱堆数、停泊的货船数、港口车辆数量、跟踪地面车辆的移动，甚至确定正在装载哪些货舱。通过分析这些图像，该公司能够提取关键的经济和金融指标，从而提供该港商业活动的近实时视图。

3. 地面网“云”化，实现超高速数据传输、处理

云技术为美军利用商业遥感数据创造了新途径，也为大数据智能处理提供了平台。美国太空与导弹系统中心（SMC）的“赌场”（CASINO）项目中的“处理、利用和分发”（PED）子项目，旨在利用云服务使商业遥感公司卫星原始数据上云、自动处理和数据快速交付给作战用户。亚马逊、鲍尔等3 家公司参与该项目。

亚马逊公司已于2020 年建成6 座云地面站，未来计划再建设6 座。美国商业遥感卫星运营商已经普遍使用亚马逊公司的云地面站服务。

微软公司2020 年9 月宣布进军云地面站领域，筹划Azure Orbital 卫星云服务，与亚马逊公司竞争。此外，微软公司已经获得美国防部100 亿美元“联合体系国防基础设施”（JEDI）云网合同，势必促进其云地面站的军事应用。

4. 空间对地观测产业情况

据欧洲咨询公司报告，2019 年卫星对地观测产业收入共46 亿美元，预计2029 年可达80 亿美元。据《全球地理空间产业展望（2018）》报告，截至2018 年全球地理空间产业所取得的经济社会价值和效益估计超过5000 亿美元，同比增加25%。尽管卫星对地观测产业收入占地理空间产业收入仍较小，但未来卫星对地观测发展空间巨大。

五、结论

国外对地观测卫星处于高速发展阶段，新系统和新技术不断涌现，应用能力不断发展。世界强国正大力加速空间部署，将对国际空间安全和空间利用格局产生重大影响。同时，世界强国高度重视应用创新和技术创新，未来10 年将是新空间体系的设计期和成形期，应加强未来应用场景和能力需求分析，推进“云”体系建设、人工智能、创新材料等使能性技术在对地观测领域的应用研究，加速空间体系和技术的升级换代。